引言

人字閘門或三角閘門轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),門體以底樞中心與頂樞中心間的軸線為中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。底樞是閘門中最易磨損的部件,其在水下工作,球面摩擦副潤(rùn)滑失效就會(huì)導(dǎo)致底樞球軸頭磨損。當(dāng)?shù)讟谢蝽敇挟a(chǎn)生磨損導(dǎo)致軸線偏移時(shí),門體工作狀態(tài)就會(huì)惡化,通?？赏ㄟ^檢測(cè)閘門門頭跳動(dòng)量來判斷閘門的工作狀態(tài)。現(xiàn)有人字閘門或三角閘門門頭跳動(dòng)量檢測(cè)方法為經(jīng)緯儀測(cè)量法,需要將閘門停止在若干角度,既影響船閘的正常通航,又需要較多人工,無法實(shí)現(xiàn)門頭跳動(dòng)量的自動(dòng)在線檢測(cè)和閘門全行程的檢測(cè)。

人字閘門或三角閘門的門頭運(yùn)行軌跡能反映閘門全行程的運(yùn)行狀態(tài),通過不同時(shí)間和位置運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,既可以計(jì)算得到閘門門頭跳動(dòng)量,又能得到門頭軌跡的歷史數(shù)據(jù),為閘門運(yùn)行狀態(tài)的分析提供客觀數(shù)據(jù)。閘門門體尺寸較大,采用全站儀、激光跟蹤儀和攝像機(jī)測(cè)量系統(tǒng)等設(shè)備可以獲得門頭的空間坐標(biāo),得到門頭的運(yùn)動(dòng)軌跡,但其價(jià)格昂貴,目前還不能實(shí)現(xiàn)全行程自動(dòng)檢測(cè),不適用于船閘現(xiàn)場(chǎng)閘門門頭運(yùn)行軌跡的自動(dòng)檢測(cè)。因此,本文提出了一種基于二自由度激光跟蹤的閘門運(yùn)行軌跡檢測(cè)方法,可為將來實(shí)現(xiàn)閘門全行程自動(dòng)化軌跡檢測(cè)提供思路。

1激光跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

二自由度激光跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示,激光測(cè)距儀發(fā)射的激光光束經(jīng)過分光棱鏡,通過轉(zhuǎn)鏡反射至靶鏡(角錐棱鏡),靶鏡將激光束按入射方向的反方向平行返回,經(jīng)過轉(zhuǎn)鏡反射到達(dá)分光棱鏡。

圖1激光跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

此時(shí)激光光束分成兩部分:部分激光光束返回激光測(cè)距儀,完成距離測(cè)量:部分激光光束反射至PSD(PositionsensitiveDevice)上,得到光斑當(dāng)前坐標(biāo)?？刂颇K根據(jù)光斑當(dāng)前坐標(biāo)與初始坐標(biāo)之差計(jì)算俯仰軸電機(jī)與偏轉(zhuǎn)軸電機(jī)需要轉(zhuǎn)過的角度,使得光斑坐標(biāo)回到初始坐標(biāo),實(shí)現(xiàn)對(duì)靶鏡的實(shí)時(shí)跟蹤。工控機(jī)根據(jù)激光測(cè)距儀的距離信息、俯仰軸與偏轉(zhuǎn)軸電機(jī)編碼器轉(zhuǎn)角,計(jì)算靶鏡的空間三維坐標(biāo)。

1.2系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由工控機(jī)、二自由度激光跟蹤測(cè)量裝置、靶鏡等構(gòu)成。激光跟蹤測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示,包括激光測(cè)距儀、分光棱鏡、PSD、支架、偏轉(zhuǎn)DD馬達(dá)、俯仰DD馬達(dá)、俯仰軸座、俯仰軸、轉(zhuǎn)鏡等。激光測(cè)距儀、分光棱鏡和PSD固定安裝于支架內(nèi),保持如圖1所示的位置關(guān)系。偏轉(zhuǎn)DD馬達(dá)安裝于支架上,使得激光測(cè)距儀的激光光束與偏轉(zhuǎn)DD馬達(dá)的中空軸線重合。俯仰DD馬達(dá)及俯仰軸座安裝于偏轉(zhuǎn)DD馬達(dá)上,帶動(dòng)俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng),且偏轉(zhuǎn)DD馬達(dá)的軸線與俯仰DD馬達(dá)的軸線垂直且相交。轉(zhuǎn)鏡安裝于俯仰軸上,且俯仰軸軸線位于轉(zhuǎn)鏡平面內(nèi)。

圖2激光跟蹤測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖

1.3系統(tǒng)布置方案

系統(tǒng)布置方案如圖3所示。工控機(jī)與激光跟蹤測(cè)量裝置設(shè)置于閘門頂樞處地面上,閘門門頭安裝靶鏡。閘門轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,激光跟蹤測(cè)量裝置一直跟蹤靶鏡,根據(jù)激光測(cè)距儀的距離以及俯仰角、偏轉(zhuǎn)角即可計(jì)算出閘門運(yùn)行過程中的門頭三維坐標(biāo),形成閘門門頭的運(yùn)行軌跡。

圖3系統(tǒng)布置方案

1.4跟蹤目標(biāo)的三維坐標(biāo)計(jì)算

圖4所示為目標(biāo)三維坐標(biāo)計(jì)算示意圖,激光跟蹤系統(tǒng)得到空間點(diǎn)的球坐標(biāo)(1,a,8),其中1是被測(cè)點(diǎn)與轉(zhuǎn)鏡的距離,通過激光測(cè)距儀得到:a是被測(cè)目標(biāo)的偏轉(zhuǎn)角,通過偏轉(zhuǎn)軸編碼器得到:8是被測(cè)目標(biāo)的俯仰角,通過俯仰軸編碼器得到。被跟蹤目標(biāo)的球坐標(biāo)可以通過式(1)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系內(nèi)的三維坐標(biāo)。

1.5系統(tǒng)跟蹤原理

系統(tǒng)跟蹤原理如圖5所示。初始狀態(tài)下,激光測(cè)距儀的激光束透過分光棱鏡經(jīng)轉(zhuǎn)鏡反射至目標(biāo)靶鏡處,此時(shí)光束正射靶鏡中心。靶鏡為角錐棱鏡,激光會(huì)以入射方向的反方向返回,經(jīng)過分光棱鏡反射至PSD,得到跟蹤計(jì)算的光斑初始坐標(biāo)。

當(dāng)被跟蹤目標(biāo)(靶鏡)開始移動(dòng)時(shí),激光測(cè)距儀的激光束偏離靶鏡的中心,靶鏡的返回激光與入射激光平行,在水平與垂直方向會(huì)產(chǎn)生偏移量。靶鏡返回激光經(jīng)分光鏡反射作用反射至PSD,激光光斑形成的當(dāng)前坐標(biāo)會(huì)偏離原光斑初始坐標(biāo),坐標(biāo)變化量等于靶鏡在水平和垂直方向的偏移量。

控制器采集PSD當(dāng)前坐標(biāo),根據(jù)與初始坐標(biāo)的偏差計(jì)算出激光光斑重回PSD初始坐標(biāo)時(shí)的俯仰電機(jī)與偏轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度,則激光光束重射目標(biāo)靶鏡中心,在PSD上形成的光斑坐標(biāo)回到初始坐標(biāo)。重復(fù)上述過程,激光跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)被測(cè)目標(biāo)的跟蹤。

2激光跟蹤系統(tǒng)構(gòu)建與試驗(yàn)

2.1激光跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)建

構(gòu)建激光跟蹤系統(tǒng),實(shí)物如圖6所示,其中二維跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)包括偏轉(zhuǎn)DD馬達(dá)、俯仰DD馬達(dá)、俯仰軸,跟蹤測(cè)量光路包括激光測(cè)距儀、分光棱鏡、轉(zhuǎn)鏡和PSD。為方便試驗(yàn),將靶鏡固定安裝在線性運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上,當(dāng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)激光跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)靶鏡的跟蹤。

圖7所示為激光跟蹤系統(tǒng)控制框圖,其中運(yùn)動(dòng)控制器型號(hào)為JMC-804,采用P1D控制律進(jìn)行偏轉(zhuǎn)電機(jī)與俯仰電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。運(yùn)動(dòng)控制器讀取PSD當(dāng)前坐標(biāo)及電機(jī)編碼器的輸出角度,根據(jù)PSD當(dāng)前坐標(biāo)與初始坐標(biāo)之間的偏差計(jì)算偏轉(zhuǎn)電機(jī)與俯仰電機(jī)的控制量,控制跟蹤轉(zhuǎn)鏡的偏轉(zhuǎn)與俯仰,實(shí)現(xiàn)對(duì)靶鏡的跟蹤。經(jīng)過多次測(cè)試,確定P1D控制參數(shù)分別為:Kp=2、Ki=41、Kd=0.00097。

2.2激光跟蹤系統(tǒng)的跟蹤測(cè)試

圖8所示為目標(biāo)(靶鏡)激光跟蹤測(cè)試示意圖,分別測(cè)試系統(tǒng)在俯仰和偏轉(zhuǎn)方向的跟蹤性能。將靶鏡固定安裝于運(yùn)動(dòng)平臺(tái),當(dāng)平臺(tái)水平安裝時(shí)測(cè)量偏轉(zhuǎn)跟蹤性能,豎直安裝時(shí)測(cè)量俯仰跟蹤性能。

圖9所示為目標(biāo)跟蹤時(shí)俯仰軸電機(jī)和偏轉(zhuǎn)軸電機(jī)的理論跟蹤角度計(jì)算方法,并與實(shí)際跟蹤角度進(jìn)行對(duì)比。

設(shè)靶鏡沿y軸運(yùn)動(dòng)速度為,y,運(yùn)動(dòng)距離為d,初始時(shí)靶球與轉(zhuǎn)鏡距離為ls,偏轉(zhuǎn)電機(jī)跟蹤角度α為:

同理,設(shè)靶鏡沿Z軸運(yùn)動(dòng)速度為,z,俯仰電機(jī)的跟蹤角度8為:

圖10所示為對(duì)靶球的激光跟蹤測(cè)試過程,結(jié)果表明,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)靶鏡的穩(wěn)定跟蹤,在跟蹤過程中偏轉(zhuǎn)電機(jī)和俯仰電機(jī)能及時(shí)響應(yīng),控制激光光束位于靶球的中心。

圖11所示為在40mm的跟蹤行程內(nèi),偏轉(zhuǎn)軸與俯仰軸的實(shí)際與理論跟蹤角度的對(duì)比,可以看出兩者偏差隨靶鏡移動(dòng)發(fā)生變化,但偏差不超過0m1o,驗(yàn)證了跟蹤控制方法的有效性。

2.3系統(tǒng)跟蹤重復(fù)精度測(cè)試

為測(cè)試系統(tǒng)重復(fù)性精度,設(shè)置平臺(tái)的初始位置,控制平臺(tái)移動(dòng)一定行程后再返回初始位置,如此反復(fù)進(jìn)行20次,激光跟蹤系統(tǒng)持續(xù)跟蹤靶鏡,記錄每次平臺(tái)返回初始位置時(shí)的靶鏡坐標(biāo)。

根據(jù)記錄數(shù)據(jù)計(jì)算得到測(cè)量坐標(biāo)(x,y,:)的標(biāo)準(zhǔn)差,利用3倍標(biāo)準(zhǔn)差衡量重復(fù)性精度,分別為士71μm、士80μm和±23μm,由于平臺(tái)本身也存在定位誤差,可以推斷出激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量重復(fù)性精度優(yōu)于80μm。

3結(jié)語

本文介紹了面向船閘閘門門頭運(yùn)行軌跡的激光跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建,包括跟蹤裝置結(jié)構(gòu)和控制器設(shè)計(jì),試驗(yàn)表明該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤,跟蹤重復(fù)精度優(yōu)于80μm,為閘門門頭運(yùn)行軌跡的檢測(cè)提供了一種可行方法。

在以后的工作中,將進(jìn)一步優(yōu)化硬件和控制算法,實(shí)現(xiàn)更高速度和更遠(yuǎn)距離的高精度跟蹤,為其在船閘的實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。